Зоны сдвига в земной коре и верхней мантии

Введение

Структурная прерывистость в земной коре и верхней мантии

В геологии зона сдвига – это узкая зона в земной коре или верхней мантии, подвергшаяся сильной деформации из-за смещения горных пород по обе стороны зоны друг относительно друга. В верхней коре, где породы хрупкие, зона сдвига проявляется в виде трещины, называемой разломом. В нижней коре и мантии экстремальные условия давления и температуры делают породы пластичными, то есть способными медленно деформироваться без разрушения, подобно горячему металлу, обрабатываемому кузнецом. В этих условиях зона сдвига представляет собой более широкую область, где пластичные породы медленно текут, приспосабливаясь к относительному движению горных пород по обеим сторонам. Поскольку зоны сдвига встречаются на различных глубинах, с ними связано большое разнообразие пород с их характерными структурами.

Общее введение

Сдвиговая зона – это зона интенсивной деформации (с высокой скоростью деформации), окруженная породами с меньшей степенью конечной деформации. Она характеризуется отношением длины к ширине более 5:1. Сдвиговые зоны образуют континуум геологических структур, варьирующихся от хрупких сдвиговых зон (или разломов) через хрупко-пластичные сдвиговые зоны (или полухрупкие сдвиговые зоны), пластично-хрупкие до пластичных сдвиговых зон. В хрупких сдвиговых зонах деформация концентрируется в узкой плоскости разрыва, разделяющей вмещающие породы, в то время как в пластичной сдвиговой зоне деформация распределена по более широкой зоне, причем состояние деформации непрерывно изменяется от одной стенки к другой. Между этими крайними типами существуют промежуточные типы хрупко-пластичных и пластично-хрупких сдвиговых зон, которые могут сочетать эти геометрические особенности в различных пропорциях. Этот континуум, наблюдаемый в структурных формах сдвиговых зон, отражает различные механизмы деформации, действующие в коре, то есть переход от хрупкой (разрывной) деформации на или вблизи поверхности к пластичной (текучей) деформации с увеличением глубины. При переходе от хрупкости к полухрупкости начинает проявляться пластичная реакция на деформацию. Этот переход не привязан к определенной глубине, а происходит в определенном диапазоне глубин – так называемой чередующейся зоне, где сосуществуют хрупкое разрушение и пластический поток. Основная причина этого заключается в обычном гетероминеральном составе пород, при котором разные минералы по-разному реагируют на приложенные напряжения (например, кварц пластически деформируется гораздо раньше, чем полевые шпаты). Таким образом, различия в литологии, размере зерна и первичной структуре определяют различные реологические свойства. Другие, чисто физические факторы также влияют на глубину перехода, включая: геотермический градиент, то есть температуру среды, литостатическое и флюидное давление, общую скорость деформации и ориентацию напряжений. В модели Шольца для кварц-полевошпатовой коры (с геотермией, взятой из Южной Калифорнии) переход к полухрупкости начинается примерно на глубине 11 км при температуре окружающей среды 300 °C. Затем чередующаяся зона простирается примерно до 16 км глубины при температуре около 360 °C. Ниже примерно 16 км глубины встречаются только пластичные сдвиговые зоны. Сейсмогенная зона, в которой зарождаются землетрясения, связана с хрупкой областью – шизосферой. Под чередующейся зоной находится пластосфера. В сейсмогенном слое, который залегает ниже верхнего перехода стабильности, связанного с верхним пределом сейсмичности (обычно расположенным на глубине около 4–5 км), начинают появляться истинные катаклазиты. Затем сейсмогенный слой переходит в чередующуюся зону на глубине 11 км. Однако сильные землетрясения могут приводить к разрывам как до поверхности, так и глубоко в чередующуюся зону, иногда даже в пластосферу.

A shear zone is a zone of strong deformation (with a high strain rate) surrounded by rocks with a lower state of finite strain. It is characterised by a length to width ratio of more than 5:1. Shear zones form a continuum of geological structures, ranging from brittle shear zones (or faults) via brittle–ductile shear zones (or semibrittle shear zones), ductile–brittle to ductile shear zones. In brittle shear zones, the deformation is concentrated in a narrow fracture surface separating the wall rocks, whereas in a ductile shear zone the deformation is spread out through a wider zone, the deformation state varying continuously from wall to wall. Between these end members, there are intermediate types of brittle–ductile (semibrittle) and ductile–brittle shear zones that can combine these geometric features in different proportions. This continuum found in the structural geometries of shear zones reflects the different deformation mechanisms reigning in the crust, i. e. the changeover from brittle (fracturing) at or near the surface to ductile (flow) deformation with increasing depth. By passing through the brittle–semibrittle transition the ductile response to deformation is starting to set in. This transition is not tied to a specific depth, but rather occurs over a certain depth range the so called alternating zone, where brittle fracturing and plastic flow coexist. The main reason for this is found in the usually heteromineral composition of rocks, with different minerals showing different responses to applied stresses (for instance, under stress quartz reacts plastically long before feldspars do). Thus differences in lithology, grain size, and preexisting fabrics determine a different rheological response. Yet other, purely physical factors, influence the changeover depth as well, including:
geothermal gradient, i. e. ambient temperature. confinement pressure and fluid pressure. bulk strain rate. stress field orientation. In Scholz's model for a quartzo feldspathic crust (with a geotherm taken from Southern California), the brittle–semibrittle transition starts at about 11 km depth with an ambient temperature of 300 °C. The underlying alternating zone then extends to roughly 16 km depth with a temperature of about 360 °C. Below approximately 16 km depth, only ductile shear zones are found. The seismogenic zone, in which earthquakes nucleate, is tied to the brittle domain, the schizosphere. Below an intervening alternating zone, there is the plastosphere. In the seismogenic layer, which occurs below an upper stability transition related to an upper seismicity cutoff (situated usually at about 4–5 km depth), true cataclasites start to appear. The seismogenic layer then yields to the alternating zone at 11 km depth. Yet big earthquakes can rupture both up to the surface and well into the alternating zone, sometimes even into the plastosphere.

Чувство сдвига

Направление сдвига в зоне сдвига (правосторонней, левосторонней, обратно-сдвиговой или нормальной) можно определить по макроскопическим структурам и множеству микротектонических индикаторов.

Ширина зон сдвига и вытекающие из этого смещения

Ширина отдельных зон сдвига варьируется от масштаба зерна до километрового масштаба. Зоны сдвига коры (мегасдвиги) могут достигать ширины 10 км и, как следствие, демонстрируют очень большие смещения – от десятков до сотен километров. Хрупкие зоны сдвига (разломы) обычно увеличиваются в ширину с глубиной и с ростом величины смещений.

Важность

Важность сдвиговых зон заключается в том, что они являются крупными зонами ослабления в земной коре, иногда простирающимися в верхнюю мантию. Они могут существовать очень долго и обычно демонстрируют признаки нескольких последовательных стадий активности. В них материал может перемещаться как вверх, так и вниз, при этом наиболее важную роль играет циркуляция воды с растворенными ионами. Это может приводить к метасоматизму в вмещающих породах и даже к обогащению материала мантии. Сдвиговые зоны могут содержать экономически значимые минерализации, примером чего служат крупные золотые месторождения в прекамбрийских терранах.